Hubbard-Gletscher, Alaska. Credit: robertraines/Flickr, CC BY 2.0

Die relativ ruhige Region des Weltraums, in der wir uns heute im Sonnensystem befinden, täuscht über eine feurige, gewalttätige Vergangenheit und eine unheimliche Zukunft hinweg. Diese Serie erforscht die geologische und natürliche Geschichte der Erde, beginnend mit der Entstehung unseres Sonnensystems, über Asteroideneinschläge und Massenaussterben bis hin zu den Auswirkungen des Menschen auf die heutige Umwelt. Um das Ausmaß der Veränderungen, die unser Planet durchgemacht hat, wirklich zu begreifen, müssen wir durch riesige Zeitskalen rasen und an wichtigen Meilensteinen innehalten.

Bis heute: Das Leben entstand auf der Erde ziemlich schnell, kaum 500 Millionen Jahre nach der Entstehung unseres 4,56 Milliarden Jahre alten Planeten. Und vor etwa 2,4 Milliarden Jahren (bya) trat Sauerstoff zum ersten Mal in großem Umfang in der Atmosphäre und in den Ozeanen auf, was prompt ein Massenaussterben auslöste und die Erde in die Huronische Eiszeit stürzte.

Während der Huronischen Eiszeit, die durch die Sättigung des neuen Gases Sauerstoff in der Luft und im Wasser verursacht wurde, wurde die Erde immer kühler, obwohl die Sonne mit zunehmendem Alter immer heller wurde. Der Sauerstoff in der Atmosphäre verdrängte Methan, ein Treibhausgas, das die Erde warm hielt. Die Eiszeit folgte auf das Große Sauerstoffereignis, das erste der vierundzwanzig Massenaussterben, die unser Planet erlebt hat. Heerscharen einzelliger Lebensformen wurden ausgelöscht, und die Überlebenden wurden durch die aus allen Richtungen eindringende Kälte in der Schwebe gehalten.

Beweise für diese Eiszeit finden sich entlang des gleichnamigen Huron- und des Superior-Sees in Kanada. Dieser Teil Kanadas ist ein Kraton, ein alter, stabiler Teil der Erdkruste, der sich bis heute erhalten hat. Dieser Kraton war ein Teil von Kenorland, dem Superkontinent, der in der Nähe der äquatorialen Regionen der Erde existierte. Auch andere Kenorland-Kratone, wie Michigan und Westaustralien, weisen große eiszeitliche Ablagerungen aus dieser Zeit auf.

Als unser Planet langsam gefror und sich Schicht um Schicht Eis auf dem Land und im Meer bildete, begann der Superkontinent Kenorland zu zerfallen. Dabei kam es zu einer Wiederbelebung der vulkanischen Aktivität. Im Gegensatz zu dem anderen Superkontinent namens Vaalbara war Kenorland riesig. Während Vaalbara in nur zwei Kratone zerfiel, die heute in Afrika und Australien liegen, war Kenorland riesig: Es umfasste Kratone, die heute in Kanada, den USA, Skandinavien, Grönland und der Kalahari-Wüste im südlichen Afrika liegen. Wenn solch große Landmassen wie Keksstücke auseinander brechen, verursachen sie extreme Veränderungen des globalen Klimas.

Zunächst verursachen sie Risse und Ausbreitungen auf dem Meeresboden. Dadurch erwärmt sich der obere Teil des Meeresbodens. Die Kruste schwimmt auf dem Erdmantel und verliert oft ihre unteren Teile an das zähflüssige geschmolzene Gestein. Da warmes Gestein eine viel geringere Dichte hat, steigt es im Erdmantel nach oben, wodurch die Kontinente an Höhe gewinnen. Eine größere Höhe bedeutet größere Höhen, in denen die Luft kälter ist. Außerdem führte die Erwärmung der Ozeane zu einer verstärkten Verdunstung, was wiederum die weltweiten Niederschläge erhöhte. Dadurch kühlte sich der Planet weiter ab. Da der Planet immer weißer wurde, nahm sein Reflexionsvermögen zu. Das gesamte Sonnenlicht wurde reflektiert, was die Speicherung von Wärme weiter verhinderte.

Solche Ereignisse, die die zunehmende Kälte weiter verstärken, werden als positive Rückkopplungsschleifen bezeichnet.

In der Huronischen Eiszeit bedeckten Gletscher und Eis Teile des Landes und der Ozeane fast bis zum Äquator. Es war die längste Eiszeit der Geschichte und dauerte fast 300 Millionen Jahre, von 2,4 bya bis 2,1 bya. Eine der Hauptursachen für das Fortbestehen dieser Eiszeit scheint eine Abschwächung der vulkanischen Aktivität gewesen zu sein, die zu einem weiteren Rückgang von Kohlendioxid und Methan in der Atmosphäre führte, von denen ein Teil im Eis und in den Ozeanen eingeschlossen wurde.

Eiszeiten enden aufgrund einer negativen Rückkopplungsschleife. Während einer Eiszeit gibt es intensive Schneefälle, und das Wasser wird in Form von riesigen Eismengen auf dem Land eingeschlossen. Dadurch sinkt der Meeresspiegel. Auch die Niederschläge gehen zurück, weil es einfach nicht mehr genug Wasser in der Atmosphäre gibt. Niederschläge halten die Kälte aufrecht. Meereis schmilzt schneller als große Eisflächen an Land. Als die Erde also nicht mehr kühler werden konnte und die Niederschläge zur Aufrechterhaltung der Kälte ausgingen, begann sie sich durch die Sonne zu erwärmen. Selbst ein geringes Schmelzen des Meereises kann dazu führen, dass das Wasser beginnt, die Wärme der Sonne zu absorbieren, wodurch ein Kreislauf in Gang gesetzt wird, der Kohlendioxid freisetzt und zu weiterem Schmelzen führt, wodurch die Eiszeit sehr schnell beendet wird. Aus diesem Grund endeten alle Eiszeiten viel schneller als sie begannen.

Kurz nach dem Ende der Huronischen Eiszeit und dem Auseinanderbrechen von Kenorland griff in irgendeinem Teil der Weltmeere ein einzelliger Organismus, wahrscheinlich ein Bakterium, einen anderen an, wahrscheinlich ein Archaeon, der ihn verschluckte und in ihm überleben ließ. Beide Organismen benötigten die Abfallprodukte des anderen, um zu überleben, und so arbeiteten sie in einer so genannten Endosymbiose zusammen. Diese kleine Zelle wurde zum ersten komplexen einzelligen Leben mit einem Zellkern, Membranen und dem Archaeon, das zu den Mitochondrien wurde. Solche Lebensformen werden heute als Eukaryoten bezeichnet, und diese spezielle Zelle ist der Vorfahre aller heute lebenden Organismen. Dies geschah etwa 2,1 bya, nach fast 2,5 Milliarden Jahren elementaren, primitiven, geradezu einfachen einzelligen Lebens.

Künstlerische Darstellung von Rodinia. Credit: Tomo Narashima

In der Zwischenzeit bewegten sich die Teile von Kenorland, die zerbrochen waren, in den Meeren, kollidierten erneut mit neueren Kratonen und bildeten einen neuen massiven Superkontinent namens Columbia. Kolumbien war sogar noch größer als Kenorland und enthielt Kratone, die heute zu Nordamerika, Skandinavien, Australien, Indien und Südamerika gehören. Tatsächlich war die Westküste Indiens mit der Ostküste Nordamerikas verbunden, während die Westküste Kanadas mit dem Süden Australiens verbunden war. Skandinavien war mit Brasilien verbunden, und alle Landmassen waren eng aneinander geklammert. Nachdem er 1,8 bya vollständig zusammengebaut war, begann sich Kolumbien durch die Bildung von Vulkangestein an seinen Rändern auszudehnen, und das ausgetretene Magma begann abzukühlen und sich zu verfestigen.

Diese vulkanische Aktivität löste weiteren Vulkanismus im Landesinneren aus und begann auf natürliche Weise, den Superkontinent aufzubrechen. Kolumbien begann sich 1,4 bya aufzuspalten, wobei sich die Kratone in Teile des heutigen Indiens, Nordamerikas, Chinas, Afrikas, Skandinaviens und Australiens aufteilten. Diese Kratone überlebten nicht lange unabhängig voneinander. Sie kollidierten sehr schnell miteinander und mit anderen neu entstandenen Kratonen und bildeten den nächsten Superkontinent, Rodinia, 1,3 bya.

Rodinia blieb fast vollständig auf der südlichen Hemisphäre und ist ein sehr wichtiger Teil der biologischen Geschichte der Erde. Der Superkontinent war Schauplatz der Entwicklung von Eukaryonten zu mehrzelligen Organismen und des ersten Auftretens sexueller Fortpflanzung. Auf ihm bildete sich die Ozonschicht in der Atmosphäre, und sein Auseinanderbrechen verursachte eine weitere Eiszeit, die schrecklichste von allen.

Als Rodinia auseinanderzubrechen begann, verursachte es plötzliche, riesige Risse im Meeresboden. Dadurch heizte sich die Kruste auf, was denselben Mechanismus auslöste, der in der vorangegangenen Eiszeit Niederschlagsspitzen verursachte. Dies führte zu einer weiteren Abkühlung und damit zu einer Eiszeit.

Aber diese Eiszeit, die kryogene Eiszeit, unterschied sich von der huronischen. Tatsächlich hat es eine solche Eiszeit in der Erdgeschichte nie wieder gegeben. Eiskappen und Gletscher erstreckten sich von den Polen bis zur Mitte des Äquators und bedeckten jeden Zentimeter des Planeten, so dass dieser wie ein riesiger Schneeball aussah. Das Phänomen ist treffend als „Schneeball-Erde“ bekannt. Die kryogenische Eiszeit wurde durch zwei rasche Vergletscherungen in der Eiszeit verursacht, die durch eine sehr kurze, warme Zwischeneiszeit getrennt waren. Diese extremste Eiszeit auf unserem Planeten dauerte von 720 mya bis 635 mya.

Das Tauen dieses Eises – als sich Rodinia abspaltete – führte zu einer verstärkten Evolution des Lebens. Die Zersplitterung der Landmassen führte zu einer Zunahme des Vulkanismus in den Meeren, was wiederum einen Zustrom von Nährstoffen ins Wasser zur Folge hatte. In den letzten paar Millionen Jahren des präkambrischen Supereons erschien das erste Tier“: der Schwamm. Durch die Ausbreitung des Meeresbodens bildeten sich auch viele flache Meere, in denen das Leben schließlich den Weg vom Wasser zum Land fand. Dies fiel mit dem endgültigen Zusammenbruch Rodiniens zusammen und markierte den Übergang der geologischen Zeitskala vom Präkambrium in das Phanerozoikum.

Ab diesem Zeitpunkt werden die geologischen Aufzeichnungen auf unserem Planeten dank der Fülle an Fossilien immer detaillierter. Das Phanerozoikum, das bei 542 mya beginnt, bedeutet wörtlich übersetzt „Zeitalter des wohldefinierten Lebens“. Während sich das Präkambrium über drei große Äonen erstreckte und mehr als vier Milliarden Jahre dauerte, geschah im Phanerozoikum sehr viel mehr auf der Erde. Es gab mehr Vielfalt, mehr großflächige Veränderungen an der Oberfläche und in der Atmosphäre unseres Planeten und sage und schreibe zwanzig weitere Massenaussterben.

Credit: Satwik Gade

In Bezug auf das Leben fand die größte Veränderung auf der Erde im frühen Phanerozoikum statt, im Kambrium. Innerhalb von 25 Millionen Jahren hatte sich alles Leben auf der Erde unvorstellbar plötzlich diversifiziert. Aus einfachen komplexen einzelligen Lebewesen entstanden die Vorfahren vieler heutiger Tiere. Säugetiere, Pilze, Algen, riffbildende Organismen – sie alle tauchen in der Fossilgeschichte auf. Fossilien von Wanzen, die auf dem Meeresboden herumkrabbelten, sind am häufigsten. Charles Darwin sah in der massenhaften Diversifizierung komplexer Organismen in so kurzer Zeit, ohne dass es einen Vorläufer gegeben hätte, ein stichhaltiges Argument gegen die Theorie der natürlichen Selektion (Überleben des Stärkeren). Dieser Diversifizierungsschub wird als Kambrische Explosion bezeichnet.

In der Zwischenzeit kämpfte das Leben an Land ums Überleben. Plankton war bereits entstanden, aber das Land wurde zuerst von mikrobiellen Matten aus Cyanobakterien besiedelt. Die Anpassung an das Land erforderte die Fähigkeit, gegen die Schwerkraft zu wachsen. Außerdem mussten die Lebewesen aufhören, für den Transport von Nährstoffen und Eiern/Sperma auf ein Medium wie Wasser angewiesen zu sein. Ein Mangel an Nährstoffen in der Luft bedeutete, dass es schwieriger war, zu überleben. Mehrzellige Pflanzen an Land brauchten sehr lange, um sich zu entwickeln, während sich die vielfältige Fauna in den Ozeanen rasch vermehrte und gedieh. Die dominierenden Lebensformen während des Kambriums waren die Trilobiten, eine Gruppe ausgestorbener Gliederfüßer. Sie gediehen fast 270 Millionen Jahre lang und waren damit die erfolgreichsten aller Meerestiere. Sie überlebten die ersten beiden der tödlichen Massenaussterben und insgesamt acht, bevor sie schließlich von der Erde verschwanden.

Fossil eines Trilobiten, gefunden in Marokko, Afrika. Credit: Mike Peel, 2010

Während diese Meeresinsekten unter Wasser herumkrabbelten, waren die Kratone über ihnen wieder einmal in Bewegung. Sie kollidierten miteinander und bildeten einen weiteren Superkontinent namens Pannotia. Doch dieses Mal hielten die Bausteine des Superkontinents nicht wirklich zusammen. Pannotia brach weniger als 60 Millionen Jahre nach seiner Entstehung auseinander und verursachte erneut heftige Katastrophen für das globale Klima und das Leben. Im Kambrium kam es innerhalb von 20 Millionen Jahren zu vier aufeinanderfolgenden Massenaussterben, die fast 40 % aller Meereslebewesen auslöschten und eine neue Periode einläuteten.

Das Ordovizium begann 485 mya und markierte das Auftreten der ersten echten Wirbeltiere: Fische. Im Meer gab es zahlreiche Schalentiere, Weichtiere und Gliederfüßer, die den heutigen Schnecken, Spinnen und Garnelen ähnelten, nur viel kleiner waren. Es gab Seesterne, Schwämme, Korallen und andere Filtrierer, die in den sich langsam erwärmenden Gewässern umherschwebten.

An Land begannen primitive Pflanzen langsam, aber sicher zu wachsen. Allerdings gab es eine Komplikation. Boden, wie wir ihn kennen, gab es im Ordovizium noch nicht. Boden ist eine Kombination aus Mineralien und größtenteils zersetztem organischem Material. Und 465 mya wäre die oberste Schicht nur nackter Fels oder Sand gewesen, unfähig, Leben zu tragen. Trotzdem begannen Pilze, Algen, Moose und Flechten an Land zu wachsen, kleine, winzige Pflanzen, die sich in den Felsen und Sand krallten und versuchten, sich festzuhalten. Die häufigsten Pflanzen waren Flechten, die man auch heute noch auf trockenem Wüstenboden findet. Als die ersten Wühltiere auftauchten, wurde der Boden fruchtbarer. Die Wühltiere des Ordoviziums waren Würmer und Milben, die sich durch das Gestein schlängelten und es auflockerten.

Aber das Wühlen dieser winzigen Würmer und Pflanzen, die begonnen hatten, sich an den Felsen festzuhalten, hatte unerwartete Folgen. Irgendwann erodierte die oberste Gesteinsschicht an mehreren Stellen ins Meer und tötete alles Leben auf ihr. Die Pflanzen an Land waren photosynthetisch, so dass das ständige Absterben dieser Pflanzen den Kohlendioxidgehalt sinken ließ. Das tote Leben, das ins Wasser gelangte, ließ den Kohlenstoffgehalt im Wasser ansteigen und den Sauerstoffgehalt sinken.

In der Zwischenzeit hatten sich die Kratone, die von Rodinia und Pannotia übrig geblieben waren, wieder zu kleineren Kontinenten zusammengefügt. Südamerika, Australien, die Antarktis, Indien und Afrika hatten sich zu einem großen Kontinent namens Gondwanaland zusammengeschlossen, benannt nach dem Volk der Gond in Zentralindien. Gondwanaland driftete stetig in Richtung des Südpols, in die kalten, dunklen Regionen des Planeten. Die langsame Kälte in Verbindung mit dem Rückgang des Kohlendioxids führte zu einer weiteren Eiszeit.

Eiszeiten sind wie Massenaussterben gekommen und gegangen. Genau wie Massenaussterben gab es fünf große Eiszeiten. Obwohl die „Big Five“ nicht immer zusammenfallen, wird jede Eiszeit fast immer von einem Massenaussterben begleitet. In diesem Fall fiel die dritte der Großen Fünf Eiszeiten mit dem ersten der Großen Fünf Massenaussterben zusammen. Der Beginn der Anden-Sahara-Vereisung setzte eine Kette von Ereignissen in Gang, die zum ordovizisch-silurischen Massenaussterben führten.

Eiszeiten führen zu Veränderungen des Meeresspiegels, zu großräumigen Klimaschwankungen und schließlich zu Vulkanismus, der schließlich zur negativen Rückkopplungsschleife beiträgt. Der Vulkanismus und die Veränderung des Meeresspiegels setzen jedoch giftige Gase in die Atmosphäre frei, die dann zu Anoxie (Sauerstoffmangel) in den Ozeanen und der Atmosphäre führen können, was eine weitere positive Rückkopplungsschleife für ein weiteres Massenaussterben bildet. Dieses Massenaussterben hat über 40 % des Lebens an Land und fast 85 % des Lebens im Wasser ausgelöscht.

Abgesehen von der Bodenerosion und der Vergletscherung gibt es eine weitere Hypothese, von der Wissenschaftler vermuten, dass sie das Massenaussterben verursacht haben könnte: ein Gammastrahlenausbruch.

Künstlerische Darstellung eines Gammastrahlenausbruchs, der einen Stern zerstört. Bild: NASA Goddard Space Flight Center

Gammastrahlenausbrüche sind sehr starke, unvorhersehbare Energieblitze, die in fernen Galaxien beobachtet werden. Sie sind die energiereichste Art und Weise, in der elektromagnetische Strahlung im Universum freigesetzt werden kann. Sie schießen als Strahlen hervor, wenn ein sterbender Stern kollabiert, manchmal zu einem schwarzen Loch. In weniger als zwei Sekunden kann ein Gammastrahlenausbruch so viel Energie freisetzen wie die Sonne in zehn Milliarden Jahren. Zehn Milliarden.

Ein einziger Gammastrahlenausbruch in seiner direkten Flugbahn könnte unseren Planeten vollständig zerstören, indem er zerbricht. Eine Gammastrahlung, die an der Erde vorbeifliegt, könnte die Atmosphäre chemisch beschädigen und dem Planeten das gesamte Ozon entziehen. Und er könnte praktisch alles Leben auf der Erde auslöschen, was genau beim ordovizisch-silurischen Massenaussterben geschah, dem zweitschlimmsten Massenaussterben, das die Welt je gesehen hat.

In der nächsten Folge geht es um die Evolution der Pflanzen, die weitere Entwicklung der Tiere, die ersten Gebirge auf dem Planeten, fünf Massenaussterben, darunter das nächste große, und die Entstehung des letzten großen Superkontinents.

Sandhya Ramesh ist Wissenschaftsautorin mit Schwerpunkt Astronomie und Geowissenschaften.